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第 6 课 · 35 分钟

水溶液中的反应

电解质与离子；沉淀、气体、水三种“驱动力”；分子方程式、完全离子方程式和净离子方程式；金属活动性顺序与置换反应。

本课目标

  • 区分强电解质、弱电解质和非电解质
  • 用溶解性表和“生成沉淀、气体或水”判断复分解反应能否发生
  • 写出分子方程式、完全离子方程式和净离子方程式，指出旁观离子
  • 用金属活动性顺序（标准电极电势）预测置换反应

把无色的硝酸铅溶液倒进无色的碘化钾溶液，试管里瞬间出现一团亮黄色的“金雨”。两种溶液各自都是透明的，混合后却生成了看得见的固体——这说明溶液里的某些粒子相遇后“抱”在了一起，离开了溶液。要理解水溶液中的反应，关键是换一个视角：不看化合物，看离子。

先预测

把硝酸银溶液和氯化钠溶液混合，会看到什么？

先选一个答案并锁定，再看模型怎么说。猜错比不猜学得更多。

电解质：溶液里有什么

能在水溶液中电离出离子、使溶液导电的化合物叫电解质。可溶性盐、强酸（HCl、HNO₃、H₂SO₄）和强碱（NaOH、KOH）在水中几乎完全电离，是强电解质：0.1 mol/L 的 Pb(NOX3)X2\ce{Pb(NO3)2} 溶液里实际上是 0.1 mol/L PbX2+\ce{Pb^2+} 和 0.2 mol/L NOX3X−\ce{NO3-}。醋酸、氨水只有很少一部分电离，是弱电解质；蔗糖、乙醇溶于水但不电离，是非电解质。

复分解反应之所以能发生，是因为某两种离子结合后离开了溶液。离开的方式有三种：

  • 生成沉淀（难溶物），如 AgCl\ce{AgCl}、BaSOX4\ce{BaSO4}；
  • 生成气体，如 COX2\ce{CO2}；
  • 生成水（或其他弱电解质），如酸碱中和。
部分酸、碱和盐的溶解性（室温）：溶 = 易溶，微 = 微溶，不 = 难溶，— = 不存在或遇水分解
OHX−\ce{OH-}NOX3X−\ce{NO3-}ClX−\ce{Cl-}SOX4X2−\ce{SO4^2-}COX3X2−\ce{CO3^2-}
HX+\ce{H+}—（水）溶溶溶溶、挥（CO₂）
NaX+\ce{Na+}, KX+\ce{K+}溶溶溶溶溶
BaX2+\ce{Ba^2+}溶溶溶不不
CaX2+\ce{Ca^2+}微溶溶微不
CuX2+\ce{Cu^2+}不溶溶溶—
FeX3+\ce{Fe^3+}不溶溶溶—
AgX+\ce{Ag+}—溶不微不
PbX2+\ce{Pb^2+}不溶微不不
来源: 人民教育出版社《化学》九年级下册 附录 I（部分酸、碱和盐的溶解性表，室温）; Pb²⁺ row after S. S. Zumdahl & S. A. Zumdahl, Chemistry, 10th ed., Table 4.1.

三种方程式：写、拆、删、查

  1. 写出配平的分子方程式：BaClX2+NaX2SOX4→BaSOX4↓+2 NaCl\ce{BaCl2} + \ce{Na2SO4} \mathrel{\ce{->}} \ce{BaSO4 v} + \ce{2NaCl}。
  2. 拆：把易溶的强电解质写成离子，得到完全离子方程式；沉淀、气体、水和弱电解质保持化学式不拆：BaX2++2 ClX−+2 NaX++SOX4X2−→BaSOX4(s)+2 NaX++2 ClX−\ce{Ba^2+} + \ce{2Cl-} + \ce{2Na+} + \ce{SO4^2-} \mathrel{\ce{->}} \ce{BaSO4(s)} + \ce{2Na+} + \ce{2Cl-}。
  3. 删：两边完全相同的离子（这里是 NaX+\ce{Na+} 和 ClX−\ce{Cl-}）没有参与反应，叫旁观离子，删去后得到净离子方程式：BaX2++SOX4X2−→BaSOX4(s)\ce{Ba^2+} + \ce{SO4^2-} \mathrel{\ce{->}} \ce{BaSO4(s)}。
  4. 查：原子和电荷都要守恒，系数化为最简。
BaX2+(aq)+SOX4X2−(aq)→BaSOX4(s)HX+(aq)+OHX−(aq)→HX2O(l)\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)} \qquad \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}
净离子方程式只写真正发生变化的粒子；任何可溶钡盐与任何可溶硫酸盐反应，净离子方程式都是左边这一个。
(aq)(aq)
溶于水的粒子（水合离子）
(s)(s)
固体，这里是沉淀
(l)(l)
液体，这里是生成的水

例题精解

用沉淀称量硫酸根

向 25.0 mL 0.100 mol/L BaClX2\ce{BaCl2} 溶液中加入过量 NaX2SOX4\ce{Na2SO4} 溶液。写出净离子方程式，并求生成的 BaSOX4\ce{BaSO4} 沉淀的质量。

沉淀 · 气体 · 水 · 氧化还原

水溶液反应台

所有试剂均为 0.100 mol/L

试管中：10.0 mL 溶液 A
加入溶液 B
加入 B 的体积
混合后的试管

观察

  • 蓝色（浅蓝，絮状）沉淀 Cu(OH)₂（0.50 mmol）
  • 生成难溶的 Cu(OH)₂ 沉淀。

Cu(OH)₂ · 蓝色（浅蓝，絮状）

沉淀颜色为参考书中记载的观察颜色

分子方程式 CuSOX4(aq)+2 NaOH(aq)→Cu(OH)X2(s)+NaX2SOX4(aq)\ce{CuSO4(aq) + 2NaOH(aq) -> Cu(OH)2(s) + Na2SO4(aq)}
完全离子方程式 CuX2+(aq)+SOX4X2−(aq)+2 NaX+(aq)+2 OHX−(aq)→Cu(OH)X2(s)+2 NaX+(aq)+SOX4X2−(aq)\ce{Cu^2+(aq) + SO4^2-(aq) + 2Na+(aq) + 2OH-(aq) -> Cu(OH)2(s) + 2Na+(aq) + SO4^2-(aq)}
净离子方程式 CuX2+(aq)+2 OHX−(aq)→Cu(OH)X2(s)\ce{Cu^2+(aq) + 2OH-(aq) -> Cu(OH)2(s)}

旁观离子：SO₄²⁻、Na⁺

微观：混合后溶液中的离子（示意）
CuCuCuSO₄SO₄SO₄SO₄SO₄NaNaNaNaNaCu(OH)₂ (沉淀)

+ −

反应产物由溶解性规则表（人教版溶解性表 + Zumdahl 规则）与特殊反应表决定；微溶盐用溶解度换算的 K′ 与离子积 Q 比较。所有方程式由精确配平内核生成。液体颜色由剩余有色离子的吸收带计算；沉淀与析出金属的颜色是参考书记载的观察颜色（示意色块）。粒子图的个数与浓度成比例，位置只是示意。
1 份 CuX2+\ce{Cu^2+} 只配了 1 份 OHX−\ce{OH-}：一半的铜留在溶液里，上层液仍是淡蓝色；把 B 加到 20.0 mL 再看。然后试试硝酸铅加氯化钠（微溶的 PbClX2\ce{PbCl2} 在这个浓度下不析出）、盐酸加碳酸钠（酸不过量时不冒泡）以及硫酸铜加碘化钾（不是沉淀反应，而是氧化还原）。

氧化还原：金属的置换

把锌片插进蓝色的硫酸铜溶液，锌片表面很快覆盖一层红褐色的铜，溶液的蓝色逐渐褪去：Zn(s)+CuX2+(aq)→ZnX2+(aq)+Cu(s)\ce{Zn(s)} + \ce{Cu^2+(aq)} \mathrel{\ce{->}} \ce{Zn^2+(aq)} + \ce{Cu(s)}。锌失去电子（被氧化），铜离子得到电子（被还原）。这类反应能否发生，由金属活动性顺序决定：K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、（H）、Cu、Hg、Ag、Pt、Au。排在前面的金属能把后面的金属从它的盐溶液中置换出来；排在氢前面的金属能从稀盐酸中置换出氢气。

这个顺序背后的定量依据是标准电极电势 E∘E^\circ：E∘E^\circ 越低的金属越容易失电子。当溶液中离子的 E∘E^\circ 高于金属自身离子的 E∘E^\circ 时，置换就能自发进行。

沉淀 · 气体 · 水 · 氧化还原

水溶液反应台

金属片
溶液
Cu
混合后的试管

发生置换：E°(Ag⁺) − E°(Cu²⁺) = 0.46 V > 0

  • 金属表面析出银，呈银灰色晶体（“银树”）
  • 溶液颜色变化（计算值）： 反应前 → 反应后
分子方程式 Cu(s)+2 AgNOX3(aq)→Cu(NOX3)X2(aq)+2 Ag(s)\ce{Cu(s) + 2AgNO3(aq) -> Cu(NO3)2(aq) + 2Ag(s)}
净离子方程式 Cu(s)+2 AgX+(aq)→CuX2+(aq)+2 Ag(s)\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^2+(aq) + 2Ag(s)}

活动性顺序（标准还原电位 E° / V）

  1. +0.800 Ag⁺ / Ag 溶液
  2. +0.342 Cu²⁺ / Cu 金属片
  3. +0.000 H⁺ / H₂
  4. −0.126 Pb²⁺ / Pb
  5. −0.447 Fe²⁺ / Fe
  6. −0.762 Zn²⁺ / Zn
  7. −2.372 Mg²⁺ / Mg
反应产物由溶解性规则表（人教版溶解性表 + Zumdahl 规则）与特殊反应表决定；微溶盐用溶解度换算的 K′ 与离子积 Q 比较。所有方程式由精确配平内核生成。液体颜色由剩余有色离子的吸收带计算；沉淀与析出金属的颜色是参考书记载的观察颜色（示意色块）。粒子图的个数与浓度成比例，位置只是示意。
铜丝放进硝酸银溶液：长出灰白色的“银树”，无色溶液变蓝（颜色由生成的 CuX2+\ce{Cu^2+} 计算）。再把铜放进盐酸，或把银放进硫酸铜，对照电势阶梯说明为什么不反应。

概念检查

盐酸与氢氧化钠溶液反应的净离子方程式是？

计算练习

向 20.0 mL 0.100 mol/L AgNOX3\ce{AgNO3} 溶液中加入过量 NaCl 溶液，生成多少克 AgCl 沉淀？

g

要点回顾

  • 强电解质在水中完全电离；复分解反应在生成沉淀、气体或水时才能发生。
  • 写离子方程式：写（分子方程式）、拆（强电解质拆成离子）、删（旁观离子）、查（原子和电荷守恒）。
  • 净离子方程式只保留真正变化的粒子，它适用于同一类的所有反应。
  • 活动性强（E° 低）的金属能把活动性弱的金属从盐溶液中置换出来；氢前的金属能与稀盐酸反应放出 H₂。
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数据与参考文献

  1. 人民教育出版社《化学》九年级下册（2012），附录 I 部分酸、碱和盐的溶解性表（室温）；《普通高中教科书 化学 必修 第一册》（2019），第一章第二节 离子反应。
  2. S. S. Zumdahl, S. A. Zumdahl, Chemistry, 10th ed. (Cengage, 2018), Ch. 4 (types of chemical reactions and solution stoichiometry), Table 4.1.
  3. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th ed.: “Aqueous solubility of inorganic compounds” and “Electrochemical series” (P. Vanýsek).
  4. N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2nd ed. — colours of precipitates and deposits.